Applications des antennes imprimées

Pour un utilisateur, la principale qualité des antennes imprimées reste leur faible volume et leur discrétion. Grâce à leur conformabilité, elles perturbent très peu l’aérodynamisme des véhicules terrestres ou aériens sur lesquels elles sont montées. L’aviation civile et militaire ont des besoins spécifiques et bien souvent la sécurité en vol dépend d’un composant crucial qui est l’antenne. La technologie des antennes imprimées a été introduite dans le système de communication , de navigation et d’atterissage. L’antenne à balayage électronique constitue une application typique des réseaux d’antennes imprimées aux systèmes de télédetection ou RADAR, et concurrence les antennes classiques à balayage mécanique car elle ne connait pas les problèmes d’usure mécanique. Mais en revanche, son coût de fabrication est nettement plus élévé. Les antennes imprimées ont été montées sur des missiles comme système de guidage. Dans les applications de guidage et de télédétection, la qualité importante de l’antenne est d’avoir une bonne directivité, par contre pour les systémes de communication la bande passante est nécessairement large. La sécurité routière et le confort des passagers peuvent être améliorés à l’aide de systémes RADAR utilisant des antennes imprimées placées sur des véhicules, pour connaître la distance entre les véhicules par temps de brouillard, la vitesse, et l’état de la route pour les systémes à suspension active. Antennes larges bandes Une antenne élémentaire présente une fréquence de résonance et une largeur de bande liée à son rapport longueur/diamètre,

En augmentant ce rapport il est possible d’obtenir une bande passante de 50 %. Un dipôle à large bande ressemble alors à un haltère en hyperfréquence, ou à un double cône filaire en haute fréquence. Pour aller au-delà, les antennes spéciales fonctionnant sur une décade ou plus, sont du type antenne log-périodique ou assimilées comme l’antenne discone, l’antenne plate hélicoïdale, etc.  L’antenne biconique ou double discone est une variante de l’antenne discone, dont les 2 éléments sont des cônes. Elle présente des caractéristiques d’impédance et de rayonnement constantes dans une large bande de plusieurs octaves.  Une antenne log-périodique est une antenne radioélectrique à large bande utilisée en TV terrestre, TNT, en télécommunications ou en mesure d’antenne. Bien que plusieurs types d’antenne puissent avoir des propriétés log-périodiques, comme l’antenne spirale plane, ou l’antenne hélice conique, la plus connue est le réseau de dipôles log-périodique. Une antenne log-périodique est une antenne dont l’impédance et le diagramme de rayonnement sont répétitifs selon une loi logarithmique en fonction de la fréquence. Pour obtenir cette propriété, les dimensions doivent être homothétiques le long de la direction de rayonnement principal. Ces antennes se rapprochent d’une structure fractale. Le réseau de dipôles log-périodique (log periodic dipole array ou LPDA) est la plus courante, et appelée souvent simplement « log-périodique » en télécommunications.

Bref historique Bien que la technologie Ultra Large Bande puisse représenter une approche révolutionnaire sans fil communication à l’heure actuelle, il n’est certainement pas un concept nouveau. La première radio UWB, par définition, était la radio Spark Gap à impulsions, développé par Guglielmo Marconi dans la fin des années 1800. Ce système de radio a été utilisé pendant plusieurs décennies pour transmettre le code Morse à travers les ondes. Cependant, en 1924, les radios Spark Gap ont été interdits dans la plupart applications en raison de leurs fortes émissions et des interférences à bande étroite (en continu ondes) Les systèmes de radio, qui ont été développés au début des années 1900 [28, 29]. Au début des années 1960, l’augmentation de l’intérêt pour l’électromagnétisme dans le domaine temporel par le MIT de Lincoln Laboratory et Research Center Sperry [29] ont augmenté le développement du oscilloscope à échantillonnage par Hewlett- Packard en 1962. Cela a permis à l’analyse de la réponse impulsionnelle des réseaux de micro-ondes, et les méthodes catalysées pour subnanoseconde génération d’impulsions. Un important effort de recherche a également été menée par les concepteurs d’antennes, y compris Rumsey et Dyson [30, 31], qui développaient des antennes en spirale logarithmique, et Ross, qui a appliqué des techniques de mesure d’impulsion à la conception de large bande, éléments d’antenne rayonnants [32].

Grâce à ces avancées d’antenne, le potentiel d’utilisation impulsion de transmission sur la base de radar et les communications sont devenues claires. Par la fin des années 1980, la technologie UWB a été appelée bande de base sans support ou la technologie d’impulsion, comme le terme  » ultra large bande  » n’a pas été utilisé jusqu’en 1989 par le US 15 Département de la Défense. Jusqu’à la récente attribution FCC du spectre UWB pour utilisation sans licence, toutes les applications UWB étaient autorisées seulement sous une licence spéciale. Pour la période de près de 40 ans 1960 à 1999, plus de 200 articles ont été publiés dans revues IEEE accrédité, et plus de 100 brevets ont été délivrés sur des sujets liés à l’ultra large bande technologie [33]. L’intérêt semble croître de façon exponentielle maintenant, précipitée par l’allocation FCC en 2002 du spectre UWB, avec plusieurs les chercheurs explorent la conception RF, la conception de circuits, la conception du système et la conception de l’antenne, tout liées aux applications UWB. Plusieurs entreprises commerciales ont commencé avec l’espoir de la création du premier UWB chipset commercialisable, ce qui permet à haute vitesse révolutionnaire, court étendre les transferts de données et d’une meilleure qualité de service à l’utilisateur.

Contraintes pour les antennes ULB

A l’instar des systèmes de communications classiques sans fil, l’antenne a une place capitale dans les systèmes ULB. Toutefois, les challenges sont plus nombreux et plus importants lorsqu’on fabrique une antenne ULB que lorsqu’on crée une antenne à bande étroite [7]. La première distinction entre l’antenne ULB et les autres c’est la très large bande passante fréquentielle. Pour le FCC (Fédéral Communication Commission), l’antenne adéquate doit fournir une bande passante absolue minimale de 500 MHz, ou une bande passante fractionnelle minimale de 0.2. La seconde distinction ne tient au fait que la performance de l’antenne ULB doit être en stricte conformité avec la bande opérationnelle entière. En situation idéale, les diagrammes de rayonnement, le gain et l’adaptation de l’impédance doivent être stable sur la bande entière. Dans certains cas, on exige que l’antenne ULB ait une caractéristique coupe-bande afin de tenir avec d’autres dispositifs à bande étroite et des services occupant la même bande de fonctionnement. La troisième distinction est que les propriétés du rayonnement omnidirectionnel ou directionnel sont indispensables dépendamment de l’apparition pratique. C’est dans les systèmes portatifs et mobiles qu’il est préférable d’avoir des modèles omnidirectionnels.

Dans les systèmes radar et d’autres systèmes directionnels là où on escompte un gain important, l’on préfère les caractéristiques de rayonnement directif. La quatrième distinction fait référence à la taille de l’antenne. Pour être appropriée à l’unité ULB en particulier dans les appareils mobiles et portables, il faut que l’antenne ait une taille assez réduite. Elle doit également avoir un profil bas et être compatible à l’intégration dans un circuit imprimée (PCB, Printed circuit board). La cinquième distinction tient au fait que l’antenne ULB doit être bien conçue pour que le système global soit performant. À titre d’illustration, on souhaite que le dispositif entier corresponde au masque de puissance d’émission impératif recommandé par le FCC ou d’autres organismes régulateurs. Enfin, la dernière distinction veut que l’antenne ULB soit incontournable pour obtenir de bonnes caractéristiques dans le domaine temporel. Quant aux bandes étroites, l’antenne a sensiblement les mêmes performances sur l’étendue de la bande passante et les paramètres de base, à l’instar du gain et du Path-Loss. Par contre, les systèmes ULB utilisent parfois des impulsions brèves afin de communiquer des données, de telle sorte qu’une énorme bande passante soit occupée pendant la transmission. L’antenne ne peut plus être traitée comme un filtre « spot », mais comme « filtre passe bande ». L’antenne impose ainsi des répercussions plus fortes sur le signal d’entrée.

locaux sans fil: WPAN (Wireless Personal Area Network) ET WLAN (Wireless Local Area Network) Les WPAN (dont le précurseur est Bluetooth) visent des environnements de type plutôt résidentiel avec des services de haut débit pour des connexions utilisant de la vidéo et des services de plus bas débit de type domotique (réseau capteurs). Les WLAN ont été introduits dans le but de se substituer aux réseaux filaires à l’intérieur des bâtiments privés ou publics. Ils doivent offrir un accès large bande radio avec des débits de plusieurs Mbit/s pour relier des équipements électroniques ou informatiques et se connecter à un réseau coeur type Ethernet. Par exemple, le Wifi (non donné à la norme IEEE 802.11) fournit des débits jusqu’à 11 Mbit/s pour des distances de 10 à 100 m et les systèmes futurs devraient permettre des débits allant jusqu’à 54 Mbit/s [25]. Il faut noter par exemple que pour des applications vidéo de bonne qualité, les débits proposés restent globalement insuffisants. Idéalement, des débits 100 Mbit/s avec une mobilité type véhicule et 1 Gbit/s pour une mobilité réduite sont visés. Des évolutions et des améliorations des systèmes actuels sont en cours comme MIMO (Multiple Input Multiple Output), la combinaison des techniques OFDM et CDMA ou encore l’élaboration de nouveaux codes. Pour les applications WxLAN, l’ULB présente les avantages de ne pas nécessité de licence et d’offrir des débits élevés. Cette technologie apparait ainsi comme la solution pour la future génération des communications locales où des terminaux compacts et à faible coût sont recherchés. Les technologies de transmission sans fil des réseaux WxLAN sont présentées dans les paragraphes qui suivent en les situant dans un cadre normatif et en présentant rapidement leurs spécificités.

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